動態補償如何讓影片壓縮變小？B-frame 能讓影片變多瘦？

影片壓縮最大的重點之一，就是找出影片中冗餘的資料，想辦法用現有的資料去取代這些重複的部分，就可以減少影片檔案的體積，這次要測試的項目，就是動態補償（motion compensation）所使用的 B‑frame 可以提高多少壓縮效率。

動態補償只記錄改變

在說明B‑frame之前，筆者要先解釋一下動態補償的概念，它是消除出影片中「畫面間冗餘」（interframe redundancy）的重要方式。在影片的畫面中有許多區塊是不會產生變動的，因此影片編碼器會對畫面實施動態預測（motion estimation），分析並記錄鄰近畫格間產生變動與沒有變動的區塊，在播放時再透過動態補償結合上述資訊拼湊出完整的畫面，如此一來就可以不用記錄沒有變動的部分，節省儲存空間。

以下方的附圖為例，圖中畫格1為時間較早的畫格，有顆球從天上掉下來，畫格2則為緊接而來的畫格，球往畫面下方移動。由於畫格2中只有球的位置產生變化，其他部分都與畫格1相同，所以整個左半部以及右邊1/4畫面接可沿用畫格1中的資訊，編碼器只需記錄與球的移動有關的畫面區塊即可。

▲超級找一找，看得出來上下2張圖片有什麼不一樣嗎？看得出來就代表你也懂動態補償。（點圖可看大圖）

簡單說就是偷看隔壁

為了要達到動態補償，編碼器會將畫格分為I‑frame（Intra-coded picture）、P‑frame（Predicted picture）、B‑frame（Bi-predictive picture）等3種畫格，I‑frame的性質與Flash動畫中的關鍵影格類似，它會完整地記錄整個畫面，在解碼時並不會施行動態補償，P‑frame則是單向性的預測畫格，它可以尋找前1個畫格中的資訊進行動態補償，而B‑frame則是雙向預測畫格，它可以取用前後1個畫格中的資訊，而由I、P、B‑frame組成的畫格群組稱為GOP（Group of Pictures）。

使用B‑frame的好處是它可以向後面的畫格擷取資料，因此遇到「無變動區塊」的機會比P‑frame還要高，可以進一步刪除更多的冗餘資訊，但是相對而言它的分析工作更加複雜，因此會加重編碼及解碼的運算負擔。

約可減少7%檔案體積

在使用720p的《復仇者連盟》（樣本1）及1080p的《新世紀福音戰士新劇場版：破》（樣本2）預告片進行測試，採用MeGUI搭配x264編碼器進行編碼，由於我們想要得知B-frame對壓縮率的影響，因此在編碼時採用crf方式固定影片品質，讓壓縮效率反應在檔案體積上。

測試的控制變因為改變GOP中B-frame的數量，x264說明文件指出B-frame數量的建議值為2~3，因此筆者使用0（不使用B-frame）、3、5共3組設定進行驗證。

▲在這次的測試中筆者除了改變B-frame數量之外，其餘設定值皆維持編碼器預設。

從實測數據中可以看到開啟B-frame之後，大約可以節省7%左右的檔案空間，然而編碼的速度也會隨著使用B-frame數量的多寡而下降，而且解析度較高的樣本2下降幅度比樣本1高出1倍以上，不過還好在播放時並沒有遇到不流暢的狀況。另一方面，將B-frame數增加至5個縱然可以減省更多空間，不過也會降低編碼的效能，該如何取捨就要看讀者自己在不在乎等待的時間了。

延伸閱讀：

本文同步刊載於電腦王雜誌
 
歡迎加入電腦王雜誌粉絲團